跨世紀(jì)物理學(xué)的幾個(gè)活躍領(lǐng)域和進(jìn)展趨勢(shì)

1、跨世紀(jì)物理學(xué)的幾個(gè)活躍領(lǐng)域和進(jìn)展趨勢(shì)20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)飛速進(jìn)展的時(shí)期。在那個(gè)時(shí)期，目擊了人類割裂原 子、拼接基因、克隆動(dòng)物、開通信息高速公路、納米加工和探討太空。 很難假想，假設(shè)沒有科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)展，沒有原子能、沒有運(yùn)算機(jī)、 沒有半導(dǎo)體，現(xiàn)代生活將是什么樣子。與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展一樣，物理 學(xué)也經(jīng)歷了極為深刻的革命。能夠說，物理學(xué)不時(shí)刻刻都在不斷的進(jìn) 展，其活躍的前沿領(lǐng)域很多，是最有生命力、功效最多的學(xué)科之一。 一、21世紀(jì)物理學(xué)的幾個(gè)活躍領(lǐng)域 蒸蒸日上的凝聚態(tài)物理學(xué)自從80年代中期發(fā)覺了所謂高臨界溫度超導(dǎo)體以來，世界上對(duì)這種應(yīng) 用潛力專門大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時(shí)斷時(shí)續(xù)。 這種

2、新材料能在液氮溫區(qū)下傳導(dǎo)電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導(dǎo)材 料的研究仍是爾后凝聚態(tài)物理學(xué)中活躍的領(lǐng)域之一。目前，許多國(guó)家 的科學(xué)工作者仍在分秒必爭(zhēng)，繼續(xù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，向更高溫區(qū)，乃至室溫 溫區(qū)超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用盡力。能夠估量，那個(gè)勢(shì)頭爾后也可不能 減弱，另外，高臨界溫度的超導(dǎo)材料的機(jī)械性能、韌性強(qiáng)度和加工成 材工藝也需進(jìn)一步提高和解決?？茖W(xué)家們預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初，這些技術(shù) 問題能夠取得解決并將有普遍的應(yīng)用前景，有可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)新的工 業(yè)革命。超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)船、超導(dǎo)運(yùn)算機(jī)等將會(huì)面 向市場(chǎng)，屆時(shí)，世界超導(dǎo)材料市場(chǎng)可望達(dá)到2000億美元。由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的

3、微電子、 光電子材料。超晶格材料誕生于20世紀(jì)70年代末，在短短不到30 年的時(shí)刻內(nèi)，已慢慢揭露出其微觀機(jī)制和物理圖像。目前己利用半導(dǎo) 體超晶格材料研制成許多新器件，它能夠在原子尺度上對(duì)半導(dǎo)體的組 分?jǐn)v雜進(jìn)行人工“設(shè)計(jì)”，從而能夠研究一樣半導(dǎo)體中全然不存在的物 理現(xiàn)象，并將固態(tài)電子器件的應(yīng)用推向一個(gè)新時(shí)期。但目前關(guān)于其他 類型的超晶格材料的制備尚需做進(jìn)一步的盡力。一些科學(xué)家預(yù)測(cè)，下 一代的電子器件可能會(huì)被微結(jié)構(gòu)器件替代，從而可能會(huì)帶來一場(chǎng)電子 工業(yè)的革命。微結(jié)構(gòu)物理的研窕還有許多新的物理現(xiàn)象有待于揭露。 21世紀(jì)可能會(huì)碩果累累，它的前景不可低估。最近幾年來，兩種與磁阻有關(guān)的引發(fā)人們強(qiáng)烈愛好的現(xiàn)

4、象確實(shí)是所謂 的巨磁阻和超巨磁阻現(xiàn)象。一樣磁阻是物質(zhì)的電阻率在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生 輕微的轉(zhuǎn)變，而巨磁和超巨磁能夠是幾倍或數(shù)千倍的轉(zhuǎn)變。超巨磁現(xiàn) 象中令人吃驚的是，在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中某些絕緣體會(huì)突變成導(dǎo)體，這種 緣故尚不清楚，就像高臨界溫度超導(dǎo)材料超導(dǎo)性的緣故難以捉摸一樣。 目前，巨磁和超巨磁實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的要緊障礙是強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫的要求，估 量下世紀(jì)初在這方面會(huì)有專門大的進(jìn)展，并會(huì)有誘人的應(yīng)用前景。能夠估量，新材料的進(jìn)展是21世紀(jì)凝聚態(tài)物理學(xué)研究重要的進(jìn)展方向 之一。新材料的進(jìn)展趨勢(shì)是：復(fù)合化、功能特殊化、性能極限化和結(jié) 構(gòu)微觀化。如，成份密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時(shí)刻條 件而轉(zhuǎn)變的智能材料；變形速度

5、快的壓電材料和精細(xì)陶瓷材料等都將 成為下世紀(jì)重要的新材料。材料專家估量，21世紀(jì)新材料品種可能沖 破100萬種。等離子體物理與核聚變海水中含有大量的氫和它的同位素笊和氟。笊既重氫，氧化笊確實(shí)是 重水，每一噸海水中含有140克重水。若是咱們將地球海水中所有的 笊核能都釋放出來，那么它所產(chǎn)生的能量足以提供人類利用數(shù)百億年。 但笊和病的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，那個(gè)進(jìn)程稱為熱 核反映，也叫核聚變。核聚變反映的溫度大約需要幾億度，在如此高的溫度上，笊笳混合燃 料形成高溫等離子體態(tài)，因此等離子體物理是核聚變反映的理論基矗 1986年美國(guó)普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績(jī)，他們?cè)?tftr

6、實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的超起動(dòng)放電達(dá)到20千電子伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了“點(diǎn) 火”要求。1991年11月在英國(guó)卡拉姆的jet實(shí)驗(yàn)裝置上第一次成功 地進(jìn)行了笊氟等離子體聚變實(shí)驗(yàn)。在圓形圈內(nèi)，2億度的溫度下，m 前氣體相遇爆炸成功，產(chǎn)生了 200千瓦的能量，盡管只維持了秒，但 這為人類探討新能源一一核聚變能的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步。這是90年代 核能研究最有沖破性的工作。但目前核聚變反映距實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng) 大的距離，技術(shù)上尚有許多難題需要解決，如如何將等離子加熱到如 此高的溫度？高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，不然等離 子體要降溫，容器也會(huì)被燒環(huán)，這確實(shí)是如何約束問題。21世紀(jì)初有 可能在該領(lǐng)域的研究工作中有所沖

7、破。納米技術(shù)向咱們走來所謂納米技術(shù)確實(shí)是在10 -9米（即十億分之一米）水平上，研究應(yīng) 用原子和分子現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。納米技術(shù)的進(jìn)展令人們有可 能在原子分子量級(jí)上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工，制造出各類東西，令人類開始 進(jìn)入一個(gè)能夠在納米尺度范圍，人為設(shè)計(jì)、加工和制造新材料、新器 件的時(shí)期。粗略的分，納米技術(shù)可分為納米物理、納米化學(xué)、納米生 物、納米電子、納米材料、納米機(jī)械和加工等幾方面。納米材料具有常規(guī)材料所不具有的反常特性，如它的硬度、強(qiáng)度，韌 性和導(dǎo)電性等都超級(jí)高，被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。美國(guó)一 研究機(jī)構(gòu)以為：任何經(jīng)營(yíng)材料的企業(yè)，若是此刻還不采取方法研究納 米材料的開發(fā)，爾后必將會(huì)處于

8、競(jìng)爭(zhēng)的劣勢(shì)。納米電子是納米技術(shù)與電子學(xué)的交叉形成的一門新技術(shù)。它是以研究 納米級(jí)芯片、器件、超高密度信息存儲(chǔ)為要緊內(nèi)容的一門新技術(shù)。例 如，目前超高密度信息存儲(chǔ)的最高存儲(chǔ)密度為1012畢特/平方厘 米，其信息貯存量為常規(guī)光盤的106倍。納米機(jī)械和加工，也稱為分子機(jī)械，它能夠不用部件制造幾乎無任何 裂縫的物體，它每秒能完成幾十億次操作，能夠做人類想做的任何情 形，能夠制造出人類想取得的任何產(chǎn)品。目前采納分子機(jī)械加工己研 制避世界上最小的（米粒大?。┱羝麢C(jī)、微型汽車、微型發(fā)電機(jī)、微 型馬達(dá)、微型機(jī)械人和微型手術(shù)刀。微型機(jī)械人可進(jìn)入血管清理血管 壁上的沉積脂肪，殺死癌細(xì)胞，修復(fù)損壞的組織和基因。微型

9、手術(shù)刀 只有一根頭發(fā)絲的百分之一大小，能夠不用 開胸破腹就能夠完成 手術(shù)。21世紀(jì)的生物分子機(jī)械將會(huì)顯現(xiàn)可放在人腦中的納米運(yùn)算機(jī)， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，而且有自身復(fù)制的能力。人類還有可能制造出新的智 能生命和實(shí)現(xiàn)物種再構(gòu)?！盁o窮大”和“無窮斜系統(tǒng)物理學(xué)“無窮大”和“無窮斜系統(tǒng)物理學(xué)是現(xiàn)今物理學(xué)進(jìn)展的一個(gè)超級(jí)活躍 的領(lǐng)域。天體物理和宇宙物理學(xué)就屬于“無窮大”系統(tǒng)物理學(xué)的范圍, 它從初期對(duì)太陽系的研究，慢慢進(jìn)展到銀河系，直到對(duì)整個(gè)宇宙的研 究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀(jì)后半葉自然科學(xué)中四大成績(jī)之一是 當(dāng)之無愧的。利用該模型已經(jīng)成功地說明宇宙觀測(cè)的最新結(jié)果。如宇 宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)，

10、宇宙在大尺度范圍是 各向同性等重要結(jié)果。能夠說具有暴脹機(jī)制的熱大爆炸宇宙模型己為 現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了必然的基?？墒堑侥壳盀橹?，關(guān)于宇宙的起源問題 仍沒有取得解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，事實(shí)上想一次就能夠 取得一個(gè)十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進(jìn)一步的盡力 和探討。“無窮大”系統(tǒng)物理學(xué)還有兩個(gè)比較重要的問題是“類星體”和“暗 物質(zhì)”?！邦愋求w”是1961年發(fā)覺的，一個(gè)類星體發(fā)出的光相當(dāng)于幾千 個(gè)星云，而每一個(gè)星云相當(dāng)于1萬億個(gè)太陽所發(fā)出的光，因此對(duì)類星 體的研究具有十分重大的意義。60年代末，科學(xué)家們發(fā)覺一個(gè)編號(hào)為 3c271的類星體，一天之內(nèi)它的能量增加了一倍，究竟是什么緣故使 它

11、的能量增加如此迅速？有待于21世紀(jì)去解決?！鞍滴镔|(zhì)”是一種具 有引力，看不見，什么光也不發(fā)射的物質(zhì)。宇宙中百分之九十以上的 物質(zhì)是所謂的“暗物質(zhì)”，這種“暗物質(zhì)”究竟是什么？咱們至今仍不 清楚，也有待于下世紀(jì)去解決。原子核物理和粒子物理學(xué)那么屬于“無窮斜系統(tǒng)物理學(xué)的范圍，它從 初期對(duì)原子和原子核的研究，慢慢進(jìn)展到對(duì)粒子的研究。粒子要緊包 括強(qiáng)子（中子、質(zhì)子、超子、口介子、k介子等）、輕子（電子、口子、 t輕子等）和媒介子（光子、膠子等）。強(qiáng)子是對(duì)參與強(qiáng)彼此作用粒子 的總稱，其數(shù)量幾乎占粒子種類的絕大部份；輕子是參與弱彼此作用 和電磁彼此作用的，它們不參與強(qiáng)彼此作用；而媒介子是傳遞彼此作 用的。

12、目前，人們己經(jīng)明白參與強(qiáng)彼此作用的粒子都是由更小的粒子 “夸克”組成的，可是至今不能把單個(gè)“夸克”分離出來，也沒有觀 看到它們能夠自由地存在。什么緣故“夸克”獨(dú)立不出來呢？還有一 個(gè)不能說明的問題是“非對(duì)稱性”，目前咱們已有的定理都是對(duì)稱的， 可是世界是非對(duì)稱的，這是一個(gè)有待于解決的矛盾。尋覓獨(dú)立的夸克 和電弱統(tǒng)一理論預(yù)言的、致使對(duì)稱性自發(fā)破缺的h粒子、說明“對(duì)稱” 與“非對(duì)性”的矛盾，是21世紀(jì)粒子物理學(xué)研究的前沿課題之一。 從表面上看“無窮大”系統(tǒng)物理學(xué)與“無窮斜系統(tǒng)物理學(xué)似無必然的 聯(lián)系。其實(shí)不然，宇宙和天體物理學(xué)家利用廣義相對(duì)論來描述引力和 宇宙的“無窮大”結(jié)構(gòu)，即可觀看的宇宙范圍；而

13、粒子物理學(xué)家那么 利用量子力學(xué)來處置一些“無窮斜微觀區(qū)域的現(xiàn)象。其實(shí)宇宙系統(tǒng)與 原子系統(tǒng)在某些方面有著驚人的相似性。估量21世紀(jì)“無窮大”系統(tǒng) 物理學(xué)將會(huì)與“無窮斜系統(tǒng)物理學(xué)結(jié)合得加倍緊密，即宏觀宇宙物理 學(xué)和微觀粒子物理學(xué)整體聯(lián)系起來。熱大爆炸宇宙模型確實(shí)是這種結(jié) 合的典范，事實(shí)上該模型是在粒子物理學(xué)中弱電統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上成 立起來的。能夠估量，這種結(jié)合對(duì)科技進(jìn)展和應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生龐大的阻 礙。二、跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展趨勢(shì) 科學(xué)技術(shù)可否取得重大沖破的關(guān)鍵取決于基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)展。因此，第 一必需重視基礎(chǔ)科學(xué)的研究，不能輕忽更不能簡(jiǎn)單地以那時(shí)基礎(chǔ)科學(xué) 功效是不是有效來衡量其價(jià)值。相對(duì)論和量子力學(xué)成立時(shí)

14、仿佛與其他 學(xué)科和日常生活無關(guān)，直到20世紀(jì)中期相對(duì)論和量子力學(xué)在許多科學(xué) 領(lǐng)域中引發(fā)深刻的變革才引發(fā)人們的足夠重視。能夠說，20世紀(jì)幾乎 所有的重大科技沖破，像原子能、半導(dǎo)體、激光、運(yùn)算機(jī)等，都是因 為有了相對(duì)論和量子力學(xué)才得以實(shí)現(xiàn)。能夠說，沒有基礎(chǔ)科學(xué)就沒有 科學(xué)技術(shù)、社會(huì)和人類的進(jìn)展。20世紀(jì)重大科技功效的成功體會(huì)證明，不同窗科間的相互交叉、配合 和滲透是產(chǎn)生新的發(fā)明與發(fā)覺，說明新現(xiàn)象，取得科學(xué)沖破的關(guān)鍵條 件之一。例如，核物理與軍事技術(shù)的交叉產(chǎn)生了原子彈；半導(dǎo)體物理 與計(jì)算技術(shù)的交叉產(chǎn)生了運(yùn)算機(jī)。能夠估量，21世紀(jì)待人類把握核聚 變能的那一天，必然是核物理、等離子體物理、凝聚態(tài)物理和激光技 術(shù)等學(xué)科的交叉和配合的結(jié)果。這也是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展趨勢(shì)之o跨世紀(jì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)展的另一個(gè)趨勢(shì)是“極端化”研究。所謂“極端化” 研究，包括兩方面內(nèi)容，一是要制造或克服某些實(shí)驗(yàn)的“極端化”條 件才能有所沖破。例如，有時(shí)實(shí)驗(yàn)需要超低